Une expérience quantique franchit un obstacle majeur dans la traque de la matière noire et des ondes gravitationnelles

Comment ça marche ? La technique du gradiomètre atomique

Le dispositif mis au point repose sur un principe aussi élégant que puissant : le gradiomètre atomique. Il utilise des atomes de strontium 87 (⁸⁷Sr) refroidis à une température proche du zéro absolu .

Voici, étape par étape, la recette de ce tour de force.

1. Deux nuages d’atomes pour un seul laser
   Deux groupes d’atomes de strontium sont piégés à des emplacements distincts. Ils sont ensuite interrogés par la même impulsion lumineuse, tirée d’un laser « ultra-stable » – une horloge atomique de précision. L’impulsion fait transiter les atomes entre deux niveaux d’énergie très fins (la « transition d’horloge » du strontium) .

2. Un bruit commun à annuler
   Le bruit de phase du laser – c’est-à-dire les minuscules fluctuations dans l’onde lumineuse – est le principal ennemi. Il est bien plus fort que les signaux infinitésimaux que l’on cherche. Mais comme les deux nuages d’atomes partagent exactement la même impulsion laser, ce bruit est identique pour les deux .

3. La soustraction qui révèle le signal
   L’astuce consiste à mesurer la différence de phase entre les ondes de matière des deux interféromètres. Tout ce qui est commun – en l’occurrence, le bruit laser – s’annule purement et simplement. En revanche, un vrai signal, comme une onde gravitationnelle qui déformerait l’espace-temps de manière différente aux deux endroits, ou un champ de matière noire oscillant, lui, apparaîtra distinctement .

Cette architecture de gradiomètre était proposée en théorie pour tous les interféromètres atomiques à longue base. Mais elle n’avait jamais été validée dans des conditions expérimentales aussi proches de la réalité, avec un bruit massif intentionnellement ajouté .

Des ambitions à grande échelle : le programme AION

Cette expérience de laboratoire s’inscrit dans une feuille de route bien plus vaste : le projet AION (Atom Interferometer Observatory and Network). Piloté par l’Imperial College, il rassemble sept institutions britanniques pour construire des détecteurs de taille croissante .

Les quatre étapes d’AION

AION est un programme en quatre actes :

• AION-10 : un tube à vide vertical de 10 mètres de haut, en cours de construction à l’Université d’Oxford (bâtiment Beecroft). Sa mise en service est prévue d’ici deux à trois ans. Il servira de banc d’essai technologique .
• AION-100 : un détecteur à la base portée à 100 mètres. Des sites souterrains au Royaume-Uni sont à l’étude. L’objectif est d’entamer la collecte de données scientifiques avant 2030, sous réserve de financement .
• AION-1000 : un instrument kilométrique enterré. Sa sensibilité maximale couvrira une bande de fréquences de quelques millihertz à quelques hertz – une fenêtre totalement invisible pour les détecteurs actuels comme LIGO et Virgo .
• Le réseau mondial : connecter plusieurs de ces détecteurs à travers la planète pour trianguler et localiser les sources des signaux détectés.

Un pont transatlantique : MAGIS-100 au Fermilab

L’effort britannique n’est pas isolé. Il est étroitement jumelé avec le projet américain MAGIS-100 (Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor).

En janvier 2024, le Fermilab a officialisé un accord de collaboration international avec plusieurs universités britanniques – dont Liverpool, Imperial College, Cambridge et Liverpool – pour participer activement à la construction de cet instrument . MAGIS-100 est un interféromètre atomique de 100 mètres de haut, actuellement en cours d’assemblage dans un ancien puits d’accès du laboratoire Fermi, près de Chicago .

Ses objectifs sont triples :

• Rechercher d’hypothétiques particules de matière noire ultra-légères.
• Réaliser des superpositions quantiques à une échelle macroscopique inédite (des paquets d’ondes atomiques séparés de plusieurs mètres !) pour tester les limites de la physique quantique .
• Servir de démonstrateur pour la détection d’ondes gravitationnelles dans la fameuse « bande médiane » .

Concrètement, AION et MAGIS-100 partageront technologies et jeux de données. L’union fait la force : un réseau transatlantique offre non seulement une meilleure couverture du ciel, mais aussi un moyen de valider toute détection par recoupement .

Et le CERN là-dedans ?

Le CERN, temple de la physique des particules, s’intéresse également à cette technologie de rupture. Des études exploratoires, menées sous l’égide du groupe de travail Physics Beyond Colliders (PBC), ont examiné la faisabilité d’installer un interféromètre atomique vertical d’environ 100 m sur le site de l’Organisation .

Le puits d’accès PX46 du Grand collisionneur de hadrons (LHC) est une option envisagée. Une collaboration entre AION et le CERN est activement explorée, ce qui pourrait déboucher sur un détecteur européen commun et un pôle d’innovation en technologies quantiques .

À l’écoute du murmure de l’univers

L’enjeu fondamental est immense. Les détecteurs d’ondes gravitationnelles comme LIGO ou Virgo sont sensibles à des fréquences autour de la centaine de hertz, correspondant à la fusion d’étoiles à neutrons ou de petits trous noirs. Le futur détecteur spatial LISA, lui, sondera de très basses fréquences, autour du millihertz .

Mais entre ces deux extrêmes subsiste un désert observationnel : la bande médiane, de 0,1 Hz à quelques Hz. C’est pourtant là que devraient se cacher les échos des premiers instants de l’univers, d’événements cataclysmiques lointains, ou le signal d’une matière noire oscillante .

Les interféromètres atomiques comme AION et MAGIS sont conçus spécifiquement pour avoir leur pic de sensibilité dans cette région. En cas de succès, ils pourraient offrir une carte d’identité gravitationnelle de phénomènes cosmiques encore totalement inconnus .

Et maintenant ?

La prochaine décennie s’annonce décisive. La technologie vient de faire un bond conceptuel grâce à la démonstration de l’Imperial . Les prochaines étapes consistent à :

• Poursuivre la construction de l’AION-10 d’Oxford et entamer une première campagne de mesures de physique .
• Finaliser l’installation de MAGIS-100 au Fermilab et le faire fonctionner conjointement avec les laboratoires britanniques .
• Lancer les études de faisabilité complètes pour les versions de 100 mètres puis d’un kilomètre .

Le rêve ultime est d’avoir un réseau planétaire d’interféromètres atomiques. Comme le souligne la collaboration, connecter MAGIS aux États-Unis et AION au Royaume-Uni — et potentiellement au CERN — est le chemin le plus sûr pour transformer une détection ambiguë en une découverte majeure .

La chasse est ouverte. Et cette fois, les physiciens ont fait taire assez de bruit pour pouvoir, peut-être, entendre enfin le murmure de l’univers invisible.